01 Principis tècnics i característiques
El principi bàsic del làser-guiat per aigua és acoblar el raig làser a un raig d'aigua micro-d'alta pressió i guiar el làser cap a la superfície del material a través del raig d'aigua. En aquest sistema, el làser generat per la font làser passa primer a través d'una sèrie de components òptics (com ara lents i miralls) per col·limació i enfocament, i després es combina amb el raig d'aigua d'alta pressió-a través d'un filtre especial. El raig d'aigua forma un canal petit al broquet i el raig làser es guia a través d'aquest canal fins a la superfície de la peça de treball, tal com es mostra a la figura 1. Com que l'índex de refracció de l'aigua és diferent del de l'aire, el camí de propagació del làser a l'aigua canvia, de manera que es requereix un disseny òptic precís per garantir l'estabilitat i el focus d'energia del raig làser.
Figura 1. El principi tècnic dels làsers-guiats per aigua.
Alta precisió: la tecnologia làser-guiada per aigua pot aconseguir una precisió de processament de nivell submil·límetre o fins i tot micròmetre-. Com que el diàmetre del raig d'aigua és molt petit, normalment només de desenes a centenars de micròmetres, el raig làser es pot guiar amb precisió a posicions específiques de la peça per a operacions de tall, perforació o gravat fins. Alta eficiència: durant el processament làser-guiat per aigua, el raig làser es transmet directament a la superfície de la peça a través del raig d'aigua, reduint la pèrdua d'energia i la dispersió a l'aire. A més, el raig d'aigua també proporciona efectes de refredament i neteja, reduint eficaçment la temperatura superficial de la peça i reduint la zona afectada per la calor-, millorant així l'eficiència i la qualitat del processament. Danys tèrmics reduïts: a causa de l'efecte de refredament del raig d'aigua, la-zona afectada per la calor (HAZ) a l'aigua-processament làser guiat és molt petita. La -zona afectada per la calor es refereix a l'àrea de la superfície i de l'interior de la peça on es produeixen deformacions tèrmiques, danys o canvis de fase a causa de la conducció de calor i la radiació durant el processament làser. El refredament ràpid del raig d'aigua en el processament làser-guiat per aigua elimina ràpidament la calor de la superfície de la peça, reduint així la mida i la profunditat de la zona afectada-de la calor i evitant la deformació tèrmica i el dany al material.
Figura 2. (a) Imatges SEM de seccions de tall d'aliatge de titani mitjançant tall per làser sec convencional i tall per làser guiat per aigua, (b) comparació de superfícies de tall de CFRP obtingudes per làser guiat per aigua i tall per làser sec convencional.
02 Camps d'aplicació
Camp aeroespacial: el camp aeroespacial té requisits molt elevats per a la precisió i la qualitat del processament de materials, i la tecnologia làser guiada per aigua{0}}s'utilitza àmpliament en aquesta àrea. Es pot utilitzar per processar components clau dels motors aeroespacials, com ara pales, discos de turbina i cambres de combustió, que normalment estan fets de materials difícils de--processar com ara superaliatges i aliatges de titani. Els làsers guiats per aigua-poden tallar i gravar de manera eficaç aquests materials alhora que garanteixen la precisió del processament i la qualitat de la superfície, millorant així el rendiment i la fiabilitat dels components. A més, els làsers-guiats per aigua també es poden utilitzar per processar peces estructurals de vehicles aeroespacials, com ara ales i fuselatges, permetent el mecanitzat de formes complexes i dissenys lleugers.
Camp dels semiconductors: en la fabricació de semiconductors, els làsers-guiats per aigua es poden utilitzar per tallar materials semiconductors com les hòsties de silici, així com per a l'embalatge i proves de xips. Com que els materials semiconductors requereixen una precisió de processament i una qualitat superficial extremadament altes, l'alta precisió i les característiques de baix dany tèrmic dels làsers guiats per aigua-els converteixen en una eina de processament ideal. Poden aconseguir el tall fi de les hòsties de silici, evitant esquerdes i danys, millorant així el rendiment i el rendiment de les estelles. A més, els làsers guiats per aigua-es poden utilitzar per al micro-processament de dispositius semiconductors, com ara la fabricació de components microelectrònics i el gravat de microcircuits, proporcionant una precisió de mecanitzat a nivell micròmetre o fins i tot nanòmetre.
Nou camp energètic: al nou sector energètic, els làsers-guiats per aigua es poden utilitzar per processar components clau de nous dispositius energètics, com ara panells solars i piles de combustible. Per exemple, en la fabricació de panells solars, els làsers guiats per aigua-es poden utilitzar per tallar hòsties de silici i gravar patrons d'elèctrodes a la superfície de les cèl·lules solars, millorant l'eficiència de conversió fotovoltaica i el rendiment dels panells. En la fabricació de piles de combustible, els làsers-guiats per aigua poden processar components com ara conjunts d'elèctrodes de membrana i plaques bipolars, permetent el tall i el gravat d'alta-precisió, millorant així el rendiment i la vida útil de les piles de combustible.
Figura 3. Aplicacions dels làsers-guiats per aigua.
03 Reptes i problemes als quals s'enfronten els làsers guiats d'aigua-
Estabilitat del raig d'aigua: durant el processament làser-guiat per aigua, el raig d'aigua-que flueix a alta velocitat pot tornar-se inestable, cosa que pot afectar la qualitat del processament. Per exemple, durant el tall, les fluctuacions en el raig d'aigua podrien provocar desviacions en la línia de tall o augmentar la rugositat de la superfície, afectant tant la precisió del mecanitzat com la qualitat de la superfície. Per garantir l'estabilitat del raig d'aigua, és necessari optimitzar el sistema de control del raig d'aigua perquè pugui mantenir un estat estable durant tot el processament.
Làser-Eficiència d'acoblament d'aigua: l'eficiència d'acoblament entre el raig làser i el raig d'aigua afecta directament els resultats del processament. Si l'eficiència de l'acoblament és baixa, la pèrdua d'energia del làser al raig d'aigua augmentarà, reduint tant l'eficiència com la qualitat del processament.
Requisits tècnics per als forats del broquet: per garantir un processament làser guiat per aigua{0}}d'alta qualitat-, el disseny i la precisió de fabricació del forat del broquet són fonamentals. El forat del broquet ha de tenir parets extremadament primes mantenint una alta precisió en la rodonesa i una conicitat zero per suportar l'impacte del flux d'aigua. A més, la rugositat de la superfície interior del forat s'ha de mantenir molt baixa per garantir l'estabilitat i la consistència del raig d'aigua.
Adaptabilitat al medi ambient: els equips de processament làser guiats per aigua- tenen requisits ambientals elevats. Per exemple, el funcionament de l'equip requereix una font d'alimentació estable, aigua neta i un ambient de temperatura i humitat constants. En entorns amb condicions deficients, com ara grans fluctuacions de temperatura, humitat elevada o font d'alimentació inestable, el rendiment de l'equip pot degradar-se o fins i tot fallar. A més, factors com la pols i la vibració a l'entorn poden interferir amb el processament, afectant la precisió i la qualitat del mecanitzat. Per tant, en aplicacions pràctiques, és necessari un control i una gestió estrictes de l'entorn operatiu de l'equip.
04 Estat actual de desenvolupament de la indústria al país ia l'estranger
Amb l'avenç continu de la tecnologia de processament de precisió làser i la creixent demanda del mercat, la tecnologia de processament làser guiat per aigua-s'està desenvolupant i millorant contínuament. Els fabricants líders reconeguts internacionalment d'equips làser guiats per aigua-inclouen principalment dues empreses: Synova i Avonisys de Suïssa. Actualment, entre les empreses d'equips de processament làser guiats per l'aigua domèstica-, les que es desenvolupen amb relativa rapidesa inclouen Wot Intelligent Manufacturing, Cosset i Shanghai Lengchen Technology, entre d'altres. Algunes altres empreses adopten l'enfocament d'introduir directament tecnologies estrangeres relacionades i després muntar-les i produir-les a nivell nacional alhora que optimitzen els seus productes. Tot i que això pot omplir ràpidament els buits tecnològics i reduir els costos i el temps d'R+D a curt termini, encara hi ha certs problemes a llarg termini, com ara la dependència de tecnologies bàsiques estrangeres, la inversió en R+D desequilibrada i els riscos de desbordament a la cadena industrial. L'autor creu que s'hauria d'establir un cicle positiu d'"introducció-absorció-superant". La bona notícia és que ara hi ha empreses nacionals capaces de subministrar equips comercials amb components 100% de producció local. Amb la transformació i l'actualització de la indústria manufacturera de la Xina, la tecnologia de processament làser-guiada per aigua jugarà un paper més important en la-fabricació d'alta gamma, especialment en la fabricació de vehicles d'energia nova, aeroespacial i-fabricació d'equips de gamma alta. L'aplicació de la-tecnologia làser guiada per aigua impulsarà la innovació tecnològica i l'actualització de productes en aquestes indústries.
